基于磨料空气射流破岩掘进的装置及掘进方法

1.本发明属于岩石隧道掘进技术领域，尤其涉及一种基于磨料空气射流破岩掘进的装置及掘进方法。


背景技术：

2.目前隧道掘进方法主要分为钻爆法、盾构法、掘进机法三种。钻爆法首先利用爆炸物将岩石破碎，然后使用机械设备清理破碎后的岩石，但该方法存在自动化程度低、安全性差和环境污染等问题。盾构法是利用盾构机进行掘进的方法，刀具损坏是影响掘进效率和施工成本的最重要因素之一，并且开仓换刀容易引发开挖面失稳、隧道坍塌等工程事故，增加了施工风险和成本；同时盾构机刀具检查、更换与刀座的维修等作业时间约占掘进施工总时间的30%~40%。掘进机法是使用挖掘机、掘进机等机械设备进行掘进的方法，具有施工快速、优质、安全、经济、环保等突出优点，但该方法存在掘进机的截割头生产难度大、磨损快、能量利用率低等问题。因此,盾构机刀盘及掘进机截割钻头的磨损是抑制掘进效率的主要问题；此外，这两种方法掘进过程中岩石破碎程度高，新增表面积大，以致能量利用率较低。
3.为了提高破岩效率，专利号为cn201910561800.3的专利公开了“一种盾构机及其水射流联合刀具破岩机构”，首先利用高压水射流在岩石上切削出环形切缝，卸载围岩局部应力，然后通过刀具进行破岩，但硬岩掘进中需要超过200mpa的射流压力，对系统装备性能和安全性要求较高，同时刀具的磨损无法避免。专利号为cn202011011344.4的专利公开了“一种可用于硬岩地层的异形全断面掘进机”， 采用各个窗格中的钻劈模块能够多单元同时切削，工作效率较高，但岩石破碎程度高，能量利用率低。增大破碎岩石块度，提高能量利用率，实现无刀化破岩技术是未来隧道掘进的关键，因此本发明提出了一种基于磨料空气射流破岩掘进装置及方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种操作简单，适应多种截面形状，可实现隧道快速掘进的基于磨料空气射流破岩掘进装置及方法。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于磨料空气射流破岩掘进的装置，包括空气压缩机，与空气压缩机出口管路相连的高压储气瓶，高压储气瓶出口通过高压管路与磨料罐进气口相连通，磨料罐磨料出口通过磨料引射管道与可拆卸转换钻杆相连通，所述可拆卸转换钻杆通过旋转连接体与伸缩臂活动连接，所述伸缩臂由控制室控制伸缩摆动并由液压系统控制俯仰角度，所述可拆卸转换钻杆末端设有后置laval喷嘴或侧切转换盖；所述空气压缩机、高压储气瓶、磨料罐、控制室、液压系统、伸缩臂和可拆卸转换钻杆均集成于车架顶部，所述车架上设有回转机构，车架底部通过履带和主动轮、从动轮驱动，所述车架末端即可拆卸转换钻杆底部还设有液压臂控制的铲斗；伸缩臂可俯仰角度为正60
°
到负30
°
，摆动角度为正45
°
到负45
°
，可拆
卸转换钻杆通过旋转连接体和伸缩臂相连，可拆卸转换钻杆可以水平和轴向360
°
回转，动作灵活，施工无死角，伸缩臂为三节伸缩结构，伸缩臂行程2.5m，作业宽度16m，高度11m，最大覆盖面积可达154m2。控制室下方设有液压系统，可升高或者降低控制室以便更好地观察施工面；所述控制室控制伸缩臂、液压系统、旋转连接体、可拆卸转换钻杆配合，按照预设方案进行低压磨料空气射流切缝，在岩面上切出dmm
×
lmm的槽，将隧道断截面分割成边长一致的多个方形；可拆卸转换钻杆、后置laval喷嘴进行组装，可拆卸转换钻杆转换为前喷钻头，前喷钻头由控制室控制移动至每块方形岩块的中心进行低压磨料空气射流旋转钻孔，钻孔深度略大与切槽深度，钻孔直径略大于钻头，以便钻头于孔内作业；可拆卸转换钻杆、侧切转换盖进行组装，可拆卸转换钻杆转换为侧喷钻头；所述控制室控制伸缩臂、液压系统、旋转连接体配合，将可拆卸转换钻杆伸入钻孔进行切割。
6.进一步的，所述磨料罐包括料斗，料斗底部设有两个并排设置的磨料桶，所述料斗与磨料桶之间通过送料管道输送磨料，送料管道上设有震动下料器和气缸，两个磨料桶底部设有一个集料斗，集料斗下料口处设有一个水平的螺旋送料器，所述螺旋送料器也由电机驱动，且螺旋送料器末端与来自高压储气瓶的气体管路汇合至磨料引射管道，所述料斗和集料斗上均设有视窗，用于观察磨料余量，以备即时补充磨料，震动下料器设有震动杆和电机，用以振动磨料桶内磨料，防止磨料堆积；气缸向磨料桶内输入一定压力的气体，配合震动下料器实现磨料连续供应，螺旋送料器设有电机，用于输送集料斗内的磨料至气体管道与低压气体实现前混合，所述磨料引射管道一端与磨料罐相连，另一端与旋转连接体相连并固定于可拆卸转换钻杆，高压空气和磨料在引射管道内实现前混合，高速气体带动粒子运动至laval喷嘴处；laval喷嘴入口为圆形结构，出口为4mm
×
20mm的矩形结构，laval喷嘴整体结构包括收敛段和扩张段，气体受高压流入喷嘴的收敛段，穿过窄喉后由扩张段逸出。这一架构可使气流的速度因喷截面积的变化而变化，使气流从亚音速到音速，直至加速至超音速，所述收敛段气体射流加速至音速，进一步气体射流在所述扩张段进一步膨胀加速至700m/s，高超声速空气射流带动磨料加速至300m/s以上。
7.进一步的，所述可拆卸转换钻杆包括位于前端的钻杆连接端，钻杆连接端上设有物料进口，钻杆连接端末端通过旋转扣与主体钻杆连接，物料进口与主体钻杆内腔联通，主体钻杆前端内部设有一个弹簧，弹簧末端与设置于主体钻杆内部可滑动laval结构管前端固定连接，主体钻杆末端外壁设有侧置laval喷嘴，可滑动laval结构管上设有与侧置laval喷嘴配合的匹配孔，主体钻杆末端通过螺纹连接段与后置laval喷嘴活动连接。
8.进一步的，所述后置laval喷嘴包括位于前端的螺纹连接端和喷嘴壁，喷嘴壁内依次设有收敛段和扩张段。
9.进一步的，所述侧切转换盖包括位于中心的突出管以及套设于突出管末端的内置螺纹连接段，内置螺纹连接段外套设有装换盖壁。
10.进一步的，所述空气压缩机与高压储气瓶之间设有第一阀门，高压储气瓶与螺旋送料器出口管路之间的管路上设有压力表和第二阀门。
11.一种基于磨料空气射流破岩掘进的装置的掘进方法，包括以下步骤：（1）测量隧道断面积，结合其形状，将断面分成多个方形，制成规划图；（2）操作员驾驶掘进机，停在既定位置，检查管路和接口的气密性，确认无误后关闭所有阀门，打开高压储气瓶的进气球阀，开启空压机并设置空压机参数，压力8mpa时，空
压机停止工作，当压力低于8mpa时，自动加压，高压气瓶的压力到达8mpa时，开启磨料罐的进气阀门，调节阀门出口压力为2mpa；（3）开启磨料罐螺旋送料器的电机；打开料斗向右侧磨料桶通入磨料，同时开启右侧震动器和气缸；通过电机控制螺旋送料装置送料速度，并通过集料斗的视窗观察磨料余量，当磨料桶磨料用尽后，开启料斗左侧阀门、左侧震动器和气缸，切换左侧磨料桶运行，实现双侧磨料桶循环运行保证磨料供应连续；（4）操作员结合规划图，控制伸缩臂、液压系统、可拆卸转换钻杆配合，按照预设方案进行低压磨料空气射流切槽，在岩面上切出dmm
×
lmm的槽；（5）操作员控制钻头移动至每块方形岩块的中心进行低压磨料空气射流旋转钻孔，钻孔深度大于切槽深度，钻孔直径大于钻头；（6）完成切槽工作后，关闭进气阀门和磨料罐送料器的电机，将后置laval喷嘴从可拆卸转换钻杆上拆卸下，换侧切转换盖进行组装，可拆卸转换钻杆转换为侧喷钻头；（7）操作员控制钻头深入钻孔，再次打开进气阀门和磨料罐送料器的电机，进行低压磨料空气射流旋转切槽，将岩块整体切落；（8）操作员控制取芯铲斗铲取岩块，置于传送带上，实现岩块的回收利用，重复步骤（1）-（8），实现磨料空气射流破岩隧道掘进。
12.本发明具有的优点是：1.本装置基于气体射流理论并结合laval喷嘴结构，研制低压磨料空气射流破岩钻头结构，实现低压磨料空气射流二段加速，得到低压超声速空气射流, 提高了硬岩掘进效率；2.本装置利用伸缩臂、液压系统、转轴、可拆卸转换钻杆等配合，可根据不同断面选择不同的切缝方法，动作灵活，施工无死角；3.本装置设有取芯铲斗和传送带等除渣设备，实现了完整岩块的回收利用，降低了施工成本；4.本装置laval喷嘴使用硬质合金制成，降低了磨料空气对laval喷嘴内壁的磨损，减少laval喷嘴更换次数，减少施工周期，降低施工成本。
附图说明
13.图1是本发明磨料空气射流破岩掘进装置结构示意图。
14.图2是本发明可拆卸转换钻杆结构示意图。
15.图3是本发明后置laval喷嘴结构示意图。
16.图4是本发明侧切转换盖结构示意图。
17.图5是本发明磨料罐结构示意图。
18.图6是本发明实施例中破岩规划示意图。
具体实施方式
19.如图所示，一种基于磨料空气射流破岩掘进的装置，包括空气压缩机1，与空气压缩机出口管路相连的高压储气瓶3，高压储气瓶出口通过高压管路与磨料罐6进气口相连通，磨料罐磨料出口通过磨料引射管道与可拆卸转换钻杆11相连通，所述可拆卸转换钻杆
11通过旋转连接体10与伸缩臂9活动连接，所述伸缩臂9由控制室7控制伸缩摆动并由液压系统8控制俯仰角度，所述可拆卸转换钻杆11末端设有后置laval喷嘴12或侧切转换盖；所述空气压缩机、高压储气瓶、磨料罐、控制室、液压系统、伸缩臂和可拆卸转换钻杆均集成于车架顶部，所述车架上设有回转机构17，车架底部通过履带16和主动轮15、从动轮驱动，所述车架末端即可拆卸转换钻杆底部还设有液压臂控制的铲斗13；伸缩臂可俯仰角度为正60
°
到负30
°
，摆动角度为正45
°
到负45
°
，可拆卸转换钻杆通过旋转连接体和伸缩臂相连，可拆卸转换钻杆可以水平和轴向360
°
回转，动作灵活，施工无死角，伸缩臂为三节伸缩结构，伸缩臂行程2.5m，作业宽度16m，高度11m，最大覆盖面积可达154m2。控制室下方设有液压系统，可升高或者降低控制室以便更好地观察施工面；所述控制室控制伸缩臂、液压系统、旋转连接体、可拆卸转换钻杆配合，按照预设方案进行低压磨料空气射流切缝，在岩面上切出dmm
×
lmm的槽，将隧道断截面分割成边长一致的多个方形；可拆卸转换钻杆、后置laval喷嘴进行组装，可拆卸转换钻杆转换为前喷钻头，前喷钻头由控制室控制移动至每块方形岩块的中心进行低压磨料空气射流旋转钻孔，钻孔深度略大与切槽深度，钻孔直径略大于钻头，以便钻头于孔内作业；可拆卸转换钻杆、侧切转换盖进行组装，可拆卸转换钻杆转换为侧喷钻头；所述控制室控制伸缩臂、液压系统、旋转连接体配合，将可拆卸转换钻杆伸入钻孔进行切割；所述磨料罐6包括料斗35，料斗底部设有两个并排设置的磨料桶39，所述料斗与磨料桶之间通过送料管道输送磨料，送料管道上设有震动下料器37和气缸38，两个磨料桶底部设有一个集料斗40，集料斗下料口处设有一个水平的螺旋送料器42，所述螺旋送料器也由电机41驱动，且螺旋送料器末端与来自高压储气瓶的气体管路汇合至磨料引射管道，所述料斗和集料斗上均设有视窗36，用于观察磨料余量，以备即时补充磨料，震动下料器设有震动杆和电机，用以振动磨料桶内磨料，防止磨料堆积；气缸向磨料桶内输入一定压力的气体，配合震动下料器实现磨料连续供应，螺旋送料器设有电机，用于输送集料斗内的磨料至气体管道与低压气体实现前混合，所述磨料引射管道一端与磨料罐相连，另一端与旋转连接体相连并固定于可拆卸转换钻杆，高压空气和磨料在引射管道内实现前混合，高速气体带动粒子运动至laval喷嘴处；laval喷嘴入口为圆形结构，出口为4mm
×
20mm的矩形结构，laval喷嘴整体结构包括收敛段29和扩张段30，气体受高压流入喷嘴的收敛段，穿过窄喉后由扩张段逸出。这一架构可使气流的速度因喷截面积的变化而变化，使气流从亚音速到音速，直至加速至超音速，所述收敛段气体射流加速至音速，进一步气体射流在所述扩张段进一步膨胀加速至700m/s，高超声速空气射流带动磨料加速至300m/s以上；所述可拆卸转换钻杆包括位于前端的钻杆连接端18，钻杆连接端上设有物料进口19，钻杆连接端末端通过旋转扣20与主体钻杆23连接，物料进口与主体钻杆内腔联通，主体钻杆前端内部设有一个弹簧21，弹簧末端与设置于主体钻杆内部可滑动laval结构管22前端固定连接，主体钻杆末端外壁设有侧置laval喷嘴24，可滑动laval结构管上设有与侧置laval喷嘴配合的匹配孔25，主体钻杆末端通过螺纹连接段26与后置laval喷嘴活动连接；所述后置laval喷嘴包括位于前端的螺纹连接端28和喷嘴壁31，喷嘴壁内依次设有收敛段29和扩张段30。所述侧切转换盖包括位于中心的突出管32以及套设于突出管末端的内置螺纹连接段33，内置螺纹连接段外套设有装换盖壁34。所述空气压缩机与高压储气瓶之间设有第一阀门2，高压储气瓶与螺旋送料器出口管路之间的管路上设有压力表4和第二阀门5。
20.一种基于磨料空气射流破岩掘进的装置的掘进方法，包括以下步骤：
（1）测量隧道断面积，结合其形状，将断面分成多个方形，制成规划图；（2）操作员驾驶掘进机，停在既定位置，检查管路和接口的气密性，确认无误后关闭所有阀门，打开高压储气瓶的进气球阀，开启空压机并设置空压机参数，压力8mpa时，空压机停止工作，当压力低于8mpa时，自动加压，高压气瓶的压力到达8mpa时，开启磨料罐的进气阀门，调节阀门出口压力为2mpa；（3）开启磨料罐螺旋送料器的电机；打开料斗向右侧磨料桶通入磨料，同时开启右侧震动器和气缸；通过电机控制螺旋送料装置送料速度，并通过集料斗的视窗观察磨料余量，当磨料桶磨料用尽后，开启料斗左侧阀门、左侧震动器和气缸，切换左侧磨料桶运行，实现双侧磨料桶循环运行保证磨料供应连续；（4）操作员结合规划图，控制伸缩臂、液压系统、可拆卸转换钻杆配合，按照预设方案进行低压磨料空气射流切槽，在岩面上切出dmm
×
lmm的槽43；（5）操作员控制钻头移动至每块方形岩块的中心进行低压磨料空气射流旋转钻孔，钻孔44深度大于切槽深度，钻孔直径大于钻头；（6）完成切槽工作后，关闭进气阀门和磨料罐送料器的电机，将后置laval喷嘴从可拆卸转换钻杆上拆卸下，换侧切转换盖进行组装，可拆卸转换钻杆转换为侧喷钻头；（7）操作员控制钻头深入钻孔，再次打开进气阀门和磨料罐送料器的电机，进行低压磨料空气射流旋转切槽，将岩块整体切落；（8）操作员控制取芯铲斗铲取岩块，置于传送带上，实现岩块的回收利用，重复步骤（1）-（8），实现磨料空气射流破岩隧道掘进。。
21.具体使用时，打开空压机并设置空压机参数，压力达到8mpa时，空压机停止工作，当压力低于8mpa时，自动加压。高压气瓶压力到达8mpa时，开启第二阀门5，调节阀门出口压力为2mpa，开启螺旋送料器的电机并打开料斗35向右侧磨料桶39通入磨料，同时开启右侧震动下料器37和气缸38。通过电机41控制螺旋送料器42送料速度，并通过集料斗40的视窗36观察磨料余量，当料斗右侧磨料桶内磨料用尽后，开启料斗左侧阀门和左侧震动下料器37和气缸38，切换左侧磨料桶运行，实现双侧磨料桶循环运行保证磨料供应连续。控制室7控制伸缩臂9、液压系统8、旋转连接体10、可拆卸转换钻杆11按照预设方案进行低压磨料空气射流切缝，卸载围岩局部应力。完成切缝工作后，控制室7控制伸缩臂9、液压系统8、旋转连接体10将可拆卸转换钻杆11移动至每块方形岩块的中心进行低压磨料空气射流旋转钻孔，钻孔深度略大与切槽深度，钻孔直径略大于钻头。钻孔完成后，依次关闭磨料罐6、阀门5。控制伸缩臂9和液压系统8将可拆卸转换钻杆11缩回，关闭旋转连接体10，将后置laval喷嘴12从可拆卸转换钻杆11上拆卸下，换上侧切转换盖，使之后的低压磨料空气射流从可拆卸转换钻杆11的侧面laval喷嘴21中喷出。可拆卸转换钻杆换上侧切转换盖后，控制室7控制伸缩臂9、液压系统8、旋转连接体10将可拆卸转换钻杆11伸进孔洞中，后依次打开磨料罐6、阀门5、旋转连接体10，使可拆卸转换钻杆11旋转切割，岩块整体剥落。控制室7控制伸缩臂9、液压系统8、取芯铲斗13将岩块铲落到传送带14上，向后运输，从而实现岩块的回收利用。

技术特征：
1.一种基于磨料空气射流破岩掘进的装置，其特征在于：包括空气压缩机，与空气压缩机出口管路相连的高压储气瓶，高压储气瓶出口通过高压管路与磨料罐进气口相连通，磨料罐磨料出口通过磨料引射管道与可拆卸转换钻杆相连通，所述可拆卸转换钻杆通过旋转连接体与伸缩臂活动连接，所述伸缩臂由控制室控制伸缩摆动并由液压系统控制俯仰角度，所述可拆卸转换钻杆末端设有后置laval喷嘴或侧切转换盖；所述空气压缩机、高压储气瓶、磨料罐、控制室、液压系统、伸缩臂和可拆卸转换钻杆均集成于车架顶部，所述车架上设有回转机构，车架底部通过履带和主动轮、从动轮驱动，所述车架末端即可拆卸转换钻杆底部还设有液压臂控制的铲斗。2.如权利要求1所述的基于磨料空气射流破岩掘进的装置，其特征在于：所述磨料罐包括料斗，料斗底部设有两个并排设置的磨料桶，所述料斗与磨料桶之间通过送料管道输送磨料，送料管道上设有震动下料器和气缸，两个磨料桶底部设有一个集料斗，集料斗下料口处设有一个水平的螺旋送料器，所述螺旋送料器也由电机驱动，且螺旋送料器末端与来自高压储气瓶的气体管路汇合至磨料引射管道。3.如权利要求2所述的基于磨料空气射流破岩掘进的装置，其特征在于：所述可拆卸转换钻杆包括位于前端的钻杆连接端，钻杆连接端上设有物料进口，钻杆连接端末端通过旋转扣与主体钻杆连接，物料进口与主体钻杆内腔联通，主体钻杆前端内部设有一个弹簧，弹簧末端与设置于主体钻杆内部可滑动laval结构管前端固定连接，主体钻杆末端外壁设有侧置laval喷嘴，可滑动laval结构管上设有与侧置laval喷嘴配合的匹配孔，主体钻杆末端通过螺纹连接段与后置laval喷嘴活动连接。4.如权利要求3所述的基于磨料空气射流破岩掘进的装置，其特征在于：所述后置laval喷嘴包括位于前端的螺纹连接端和喷嘴壁，喷嘴壁内依次设有收敛段和扩张段，laval喷嘴入口为圆形结构，出口为4mm
×
20mm的矩形结构。5.如权利要求4所述的基于磨料空气射流破岩掘进的装置，其特征在于：所述侧切转换盖包括位于中心的突出管以及套设于突出管末端的内置螺纹连接段，内置螺纹连接段外套设有装换盖壁。6.如权利要求5所述的基于磨料空气射流破岩掘进的装置，其特征在于：所述空气压缩机与高压储气瓶之间设有第一阀门，高压储气瓶与螺旋送料器出口管路之间的管路上设有压力表和第二阀门。7.如权利要求1-6任一所述的基于磨料空气射流破岩掘进的装置的掘进方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）测量隧道断面积，结合其形状，将断面分成多个方形，制成规划图；（2）操作员驾驶掘进机，停在既定位置，检查管路和接口的气密性，确认无误后关闭所有阀门，打开高压储气瓶的进气球阀，开启空压机并设置空压机参数，压力8mpa时，空压机停止工作，当压力低于8mpa时，自动加压，高压气瓶的压力到达8mpa时，开启磨料罐的进气阀门，调节阀门出口压力为2mpa；（3）开启磨料罐螺旋送料器的电机；打开料斗向右侧磨料桶通入磨料，同时开启右侧震动器和气缸；通过电机控制螺旋送料装置送料速度，并通过集料斗的视窗观察磨料余量，当磨料桶磨料用尽后，开启料斗左侧阀门、左侧震动器和气缸，切换左侧磨料桶运行，实现双侧磨料桶循环运行保证磨料供应连续；
（4）操作员结合规划图，控制伸缩臂、液压系统、可拆卸转换钻杆配合，按照预设方案进行低压磨料空气射流切槽，在岩面上切出dmm
×
lmm的槽；（5）操作员控制钻头移动至每块方形岩块的中心进行低压磨料空气射流旋转钻孔，钻孔深度大于切槽深度，钻孔直径大于钻头；（6）完成切槽工作后，关闭进气阀门和磨料罐送料器的电机，将后置laval喷嘴从可拆卸转换钻杆上拆卸下，换侧切转换盖进行组装，可拆卸转换钻杆转换为侧喷钻头；（7）操作员控制钻头深入钻孔，再次打开进气阀门和磨料罐送料器的电机，进行低压磨料空气射流旋转切槽，将岩块整体切落；（8）操作员控制取芯铲斗铲取岩块，置于传送带上，实现岩块的回收利用，重复步骤（1）-（8），实现磨料空气射流破岩隧道掘进。

技术总结
本发明属于岩石隧道掘进技术领域，具体公开一种利用磨料空气射流破岩的隧道掘进装置，包括空气压缩机、高压储气瓶、磨料罐、旋转连接体、可拆卸转换钻杆、伸缩臂、液压系统、除渣系统、控制室等，本发明利用已混合的高压磨料空气为介质，通过可拆卸转换钻杆的后置laval喷嘴对隧道截面进行切槽，后对每块已切槽岩石中心进行钻孔。钻孔完成后，取下后置喷头，换上侧切转换盖，将钻头伸进钻孔进行岩块整体的旋转切割。切割完成后，控制取芯铲斗将岩块铲出，放于传送带上运出，实现隧道掘进，提高混合磨料气体的动能，使破岩速率提升，提高隧道掘进作业效率；能量利用率高，解决了硬岩掘进中刀具磨损快的难题，降低了隧道掘进成本。降低了隧道掘进成本。降低了隧道掘进成本。


技术研发人员：刘勇 魏建平 张宏图 黄飞 李树清 朱英 曹宸旭 李兴 张志康 刘笑天 王定祥 何培昂 杨亚涛 赵金宝
受保护的技术使用者：河南理工大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/8/31